離心成型鋼纖維混凝土及工程應用

張?zhí)旃?，高級工程師，河南省電力技術院A級專家、河南省電力勘測設計院線路室主任兼項目經理。兼任中國機電工程學會送電專委會結構學組委員、河南機電工程學會電業(yè)土建專委會委員等職。長期從事高壓輸電線路設計工作，先后完成了交／直流架空線路、河南省第一條500kV緊湊型線路、電纜隧道、光纜通信、國網2000年示范送電線路工程、國網典型設計、國外線路設計等百項線路工程設計。負責完成8項科研項目，參編電力行業(yè)標準1部，獲全國優(yōu)秀工程勘察設計銀質獎1項，省部級優(yōu)秀工程設計一等獎2項、二等獎2項、三等獎1項，轉角塔優(yōu)化Qc小組獲全國工程建設優(yōu)秀質量管理小組。

趙順波，博士，教授，博士生導師，國家一級注冊結構工程師，河南省高校特聘教授，河南省優(yōu)秀專家，河南省高校教學名師。現(xiàn)任華北水利水電學院土木與交通學院名譽院長、河南省重點學科——水工結構工程學科帶頭人，河南省特色專業(yè)——土木工程專業(yè)負責人，兼任中國土木工程學會——混凝土和預應力混凝土分學會——纖維混凝土專業(yè)委員會委員、中國工程建設標準化協(xié)會混凝土結構專業(yè)委員會委員、河南省人民政府安全生產委員會專家組專家等職。主要從事現(xiàn)代預應力混凝土技術、混凝土結構仿真模型試驗技術、大型和復雜結構靜動力分析與優(yōu)化設計、纖維水泥基復合材料等領域的研究，主持完成20余項國家和省部級科技項目，參加多項國家級和省級重點工程建設項目的技術咨詢工作。發(fā)表論文150余篇，被sCI、EI收錄30余篇，出版專著《混凝土疊合結構設計原理與應用》、《環(huán)形高效預應力混凝土技術與工程應用》，主編教材4部。參編國家行業(yè)標準3部。研究成果獲省部級科技進步特等獎1項、二等獎3項、三等獎7項，中國科學技術發(fā)展基金會歐威姆預應力技術工程設計一等獎1項。

李風蘭，碩士，教授，河南省重點學科——結構工程學科帶頭人，河南省高校精品課程——混凝土結構課程主講教師，鄭州市優(yōu)秀教師，河南省教育廳學術技術帶頭人。主要從事纖維水泥基復合材料與結構研究，主持完成10余項省部級科技項目，發(fā)表論文40余篇，主編、參編教材4部。研究成果獲省部級科技進步二等獎1項、三等獎2項。

第1章 緒論

1.1 離心成型混凝土的發(fā)展狀況

將混凝土混合料裝入鋼模內，通過高速旋轉產生離心加速度，混合料在離心力作用下向鋼模內壁聚集分布，并排出空氣和多余水分，從而獲得密實和較高強度的混凝土，稱為離心成型混凝土（spun-cast concrete）。

早在19世紀中葉，離心成型工藝方法就已應用于金屬鑄管的成型。1915年，澳大利亞人w.R.Hume發(fā)明了用離心方法成型混凝土，由于該工藝簡單、效率高、混凝土質量好、無需內模等優(yōu)點，逐步被日本、美國和歐洲國家應用于生產截面外緣形狀為圓形或偶數(shù)正多邊形、內緣為空心圓形的混凝土制品。我國于20世紀30年代后期開始進行混凝土離心成型技術研究，目前的離心成型混凝土制品主要包括電桿、輸水管（涵）、管樁等3個領域。

1.1.1 電桿

離心成型鋼筋混凝土電桿（spun-cast reinforced concrete pole）和.預應力混凝土電桿（spun-cast prestressed concrete pole）廣泛應用于架空輸電線路、照明線路、通信及接觸網架空線路的電桿、變電站構支架、照明支柱和信號機柱等領域，尤其在架空輸電線路上使用的混凝土電桿更是具有特殊的地位與重要性。1938年，我國成功研制離心成型鋼筋混凝土電桿，至1952年鋼筋混凝土電桿的離心成型技術已相當成熟，并得到廣泛工程應用。1959年開始研制預應力混凝土電桿，1963年成功生產直徑300ram等徑帶法蘭盤環(huán)形預應力混凝土電桿并應用于河北省易縣到紫荊關的110kV輸電線路。

經過半個多世紀的研究和工程實踐，離心成型混凝土技術已廣泛應用于電桿、輸水管（涵）、管樁等工程領域，但由于受到原材料、混凝土配合比、離心成型工藝、養(yǎng)護工藝、使用環(huán)境與荷載變化等因素影響，目前仍存在一些難以克服的問題。本書作者及其合作者從提高材料性能的角度，探討將鋼纖維混凝土應用于離心成型混凝土制品領域，取得了系列研究成果，主要包括以下幾個方面：

在國內外首次研究了離心成型鋼纖維混凝土的增強機理，提出了離心成型混凝土中粗細骨料與鋼纖維在水泥漿中發(fā)生離心沉降的運動規(guī)律理論分析模型和沉降速度表達式，并結合試驗證明了在混凝土拌合物中呈三維亂向分布的鋼纖維，經過混凝土離心成型后轉變?yōu)檠仉x心軸為中心的圓筒面二維分布的運動規(guī)律和受力機理。這一發(fā)現(xiàn)揭示了鋼纖維在離心成型混凝土中分布的特點，表明離心成型鋼纖維混凝土與一般澆注成型鋼纖維混凝土具有不同的增強效果。

通過離心成型鋼纖維混凝土環(huán)形截面構件基本力學性能試驗，分析了鋼纖維體積率、鋼纖維長度、基體混凝土強度、骨料粒徑和級配、箍筋，以及離心成型工藝對離心成型鋼纖維混凝土彎曲抗拉強度、劈裂抗拉強度、軸心抗壓強度及抗側壓變形能力的提高作用，提出了離心成型鋼纖維混凝土彎曲抗拉強度、劈裂抗拉強度的計算方法。

通過抗凍性能試驗、耐硫酸腐蝕試驗、耐硫酸鹽腐蝕試驗，證明鋼纖維的摻入顯著提高了離心成型鋼纖維混凝土的抗凍性能及抵抗硫酸和硫酸鹽侵蝕的能力。

結合輸電線路工程實踐，總結了離心成型鋼纖維混凝土電桿的生產工藝與質量檢驗方法，首次進行了大直徑離心成型鋼筋混凝土錐形桿和等徑桿、預應力混凝土錐形桿和等徑桿的受力全過程試驗，提出了鋼筋鋼纖維混凝土和預應力鋼纖維混凝土電桿的正截面承載力計算方法及正常使用極限狀態(tài)驗算方法。

《離心成型鋼纖維混凝土及工程應用(精)》為科學出版社出版發(fā)行。

序

前言

第1章 緒論

1.1 離心成型混凝土的發(fā)展狀況

1.1.1 電桿

1.1.2 輸水管(涵)

1.1.3 管樁

1.2 離心成型混凝土制品的工程應用問題

1.2.1 離心成型工藝對混凝土組織結構的影響

1.2.2 離心成型混凝土制品的縱向裂縫

1.2.3 離心成型混凝土制品的耐久性

1.3 離心成型混凝土制品質量的改善途徑

1.3.1 改進離心成型混凝土制品的設計方法，從制品受力性能上降低出現(xiàn)裂縫的幾率

1.3.2 嚴格控制原材料質量和混凝土配制，研究合理的離心成型與養(yǎng)護工藝

1.3.3 研究新型的纖維混凝土材料離心成型技術，從材性本質上克服離心成型產生的不利影響

參考文獻

第2章 離心成型鋼纖維混凝土增強機理

2.1 概述

2.2 鋼纖維混凝土混合料顆粒離心運動的基本假定

2.3 鋼纖維混凝土混合料顆粒的理論沉降速度

2.3.1 固體顆粒沿圓周方向轉動分析

2.3.2 固體顆粒沿徑向沉降運動分析

2.3.3 固體顆粒沿徑向沉降時間分析

2.4 鋼纖維在混凝土混合料中的離心運動理論分析

2.4.1 鋼纖維分布方向理論模型

2.4.2 鋼纖維在離心成型混凝土中的沉降速度分析

2.4.3 鋼纖維與固體顆粒沉降速度對比

2.4.4 鋼纖維在混凝土中的受力分析

2.4.5 鋼纖維在混凝土混合料中的分布方向分析

2.5 鋼纖維在混凝土混合料中分布規(guī)律試驗研究.

2.5.1 鋼纖維分布規(guī)律主要參數(shù)的確定及其意義

2.5.2 初次試驗成果

2.5.3 第二次試驗成果

2.5.4 試驗研究結論

參考文獻

第3章 離心成型鋼纖維混凝土的力學性能

3.1 概述

3.2 彎曲抗拉性能

3.2.1 側壓試驗方法

3.2.2 初次試驗結果分析

3.2.3 第二次試驗結果分析

3.2.4 彎曲抗拉強度計算公式

3.3 劈裂抗拉性能

3.3.1 初次試驗結果分析

3.3.2 第二次試驗結果分析

3.3.3 劈裂抗拉強度計算公式

3.4 軸心抗壓性能

3.4.1 初次試驗結果分析

3.4.2 第二次試驗結果分析

參考文獻

第4章 離心成型鋼纖維混凝土的耐久性能

4.1 概述

4.2 無應力狀態(tài)下耐硫酸和硫酸鹽腐蝕性能

4.2.1 試驗概況

4.2.2 耐硫酸腐蝕試驗結果分析

4.2.3 耐硫酸鹽腐蝕試驗結果分析

4.2.4 試件浸泡6個月后的劈裂強度

4.2.5 研究結論

4.3 應力狀態(tài)下耐硫酸腐蝕性能

4.3.1 試驗概況

4.3.2 試驗結果分析

4.3.3 應力狀態(tài)下中性化深度預測數(shù)學模型

4.3.4 應力狀態(tài)下硫酸根離子含量預測數(shù)學模型

4.3.5 研究結論

4.4 抗凍性能

4.4.1 試驗概況

4.4.2 試驗結果分析

4.4.3 研究結論

參考文獻

第5章 離心成型鋼纖維混凝土電桿的生產工藝與質量檢驗

5.1 概述

5.2 組成材料及其性能

5.2.1 鋼筋

5.2.2 混凝土

5.2.3 鋼纖維

5.3 鋼筋骨架的制作與成型

5.3.1 鋼筋的基本加工

5.3.2 鋼筋骨架的制作與成型及質量要求

5.4 電桿的預應力技術

5.4.1 鋼圈的制作

5.4.2 預應力筋的鐓頭

5.4.3 預應力筋的張拉

5.4.4 預應力筋的錨固與放張

5.5 電桿的離心成型工藝

5.5.1 托輪式離心成型方法

5.5.2 離心成型工藝的效果

5.5.3 離心成型工藝制度

5.5.4 鋼纖維混凝土電桿離心成型工藝特殊要求

5.6 電桿的常壓蒸養(yǎng)工藝

5.6.1 常壓蒸養(yǎng)方式

5.6.2 常壓蒸養(yǎng)工藝制度

5.7 電桿成品檢驗與質量控制

參考文獻

第6章 鋼筋鋼纖維混凝土電桿試驗研究與設計方法

6.1 概述

6.2 鋼筋鋼纖維混凝土等徑桿的受力性能試驗研究

6.2.1 試驗概況

6.2.2 跨中區(qū)段正截面受力性能

6.2.3 抗裂度

6.2.4 純彎段裂縫的分布形態(tài)與裂縫寬度

6.2.5 變形

6.2.6 正截面的破壞情況

6.2.7 斜截面受力性能

6.3 鋼筋鋼纖維混凝土錐形桿的受力性能試驗研究

6.3.1 試驗概況

6.3.2 截面變形特征

6.3.3 抗裂度

6.3.4 裂縫的分布形態(tài)與裂縫寬度

6.3.5 變形性能

6.3.6 破壞情況

6.4 鋼筋鋼纖維混凝土電桿的承載力計算方法

6.5 鋼筋鋼纖維混凝土電桿的正常使用極限狀態(tài)驗算方法

6.5.1 抗裂度驗算

6.5.2 裂縫寬度驗算

6.5.3 撓度驗算

參考文獻

第7章 預應力鋼纖維混凝土電桿試驗研究與設計方法

7.1 概述

7.2 單循環(huán)荷載作用下預應力鋼纖維混凝土電桿受力性能試驗研究

7.2.1 試驗概況

7.2.2 測試成果分析

7.3 反復加卸載作用下預應力鋼纖維混凝土電桿的受力性能試驗研究

7.3.1 試驗概況

7.3.2 測試成果分析

7.4 預應力鋼纖維混凝土電桿的承載力計算方法

7.5 預應力鋼纖維混凝土電桿的正常使用極限狀態(tài)驗算方法

7.5.1 抗裂度驗算

7.5.2 裂縫寬度驗算

7.5.3 變形驗算

參考文獻

第8章 大型無拉線單叉梁門型預應力鋼纖維混凝土桿塔設計與試驗研究

8.1 概述

8.2 漯河-淮陽220kV線路工程桿塔的結構設計

8.2.1 呼稱高與設計檔距的確定

8.2.2 結構設計與構造

8.2.3 桿塔基礎的設計

8.3 桿塔受力性能的實驗室內試驗研究

8.3.1 試驗設計

8.3.2 安裝工況受力性能

8.3.3 大風工況桿身的受力性能

8.3.4 大風工況叉梁的受力性能

8.3.5 大風工況地線支架、橫擔的受力性能

8.3.6 斷線工況地線支架、邊橫擔的受力性能

8.3.7 斷線工況單根電桿的受力性能

8.3.8 雙桿對拉試驗與單桿試驗的比較

8.4 桿塔受力性能的室外立式試驗研究

8.4.1 試驗概況

8.4.2 試驗荷載組合

8.4.3 桿塔結構變形分析

8.4.4 桿身試驗結果分析

8.4.5 鋼結構試驗結果分析

8.5 桿塔試驗與設計計算結果對比分析

8.5.1 立式與臥式試驗結果對比分析

8.5.2 桿身試驗與設計計算結果的對比分析

參考文獻

第9章 大型無拉線單叉梁門型預應力鋼纖維混凝土桿塔的工程應用

9.1 概述

9.2 桿塔的組立施工方法

9.2.1 施工前的準備工作

9.2.2 單桿吊裝組立施工

9.2.3 人字型抱桿整體起立施工

9.2.4 桿塔施工質量要求

9.3 工程技術經濟效益評價

9.3.1 使用條件對比

9.3.2 單基比較

9.3.3 工程應用比較

9.3.4 比較結論

參考文獻